Вплив параметрів захисного газу на процес лазерного зварювання

Вплив параметрів захисного газу на процес лазерного зварювання

01 Вступ

Завдяки високій щільності енергії, низькому нагріву та безконтактним характеристикам технологія лазерного зварювання стала одним із основних процесів сучасного точного виробництва. Однак окислення, пористість і втрата елементів, викликані контактом між розплавленою ванною та атмосферою під час зварювання, серйозно обмежують механічні властивості та термін служби зварних швів. Захисний газ, як основне середовище для контролю середовища зварювання, необхідно вибирати на основі його типу, швидкості потоку та методу продування в поєднанні з характеристиками матеріалу (такими як хімічна реакційна здатність і теплопровідність) і товщиною листа.

Лазерна та електронно-променева обробка

02 Типи захисного газу

Основна роль захисного газу полягає в ізоляції кисню, регулюванні поведінки розплавленої ванни та покращенні ефективності сполучення енергії. За хімічними властивостями захисні гази поділяються на інертні (аргон, гелій) і активні (азот, вуглекислий газ). Інертні гази мають високу хімічну стабільність і ефективно запобігають окисленню розплавленої ванни, але їх теплофізичні відмінності істотно впливають на результати зварювання.

Наприклад, аргон (Ar) має високу щільність (1,784 кг/м³), утворюючи стабільний шар покриття, але його низька теплопровідність (0,0177 Вт/м·K) сповільнює охолодження та призводить до меншого проникнення. Навпаки, гелій (He) має теплопровідність у 8 разів вищу (0,1513 Вт/м·К), що прискорює охолодження та збільшує глибину проникнення, але його низька щільність (0,1785 кг/м³) дозволяє легко вийти, вимагаючи більшого потоку для підтримки захисту.

Активні гази, як-от азот (N₂), у деяких випадках можуть підвищити міцність зварного шва завдяки зміцненню твердого -розчину, але надмірне використання може спричинити пористість або випадання крихкої фази. Наприклад, інфільтрація азоту в резервуар розплаву під час дуплексного зварювання нержавіючої сталі може порушити фазовий баланс фериту/аустеніту, зменшуючи стійкість до корозії.

[Зображення: Малюнок 1. Лазерне зварювання нержавіючої сталі 304L, (вгорі) захист від Ar; (внизу) захист від N₂]

З точки зору механізму процесу, висока енергія іонізації гелію (24,6 еВ) пригнічує екранування плазми, підвищуючи поглинання лазерної енергії та проникнення. Аргон з нижчою енергією іонізації (15,8 еВ) легко створює плазмові хмари, вимагаючи розфокусування або імпульсної модуляції для зменшення перешкод. Крім того, активні гази можуть вступати в хімічну реакцію з розплавленою ванною (наприклад, N₂, утворюючи нітриди з Cr у сталі), змінюючи склад зварного шва та вимагаючи обережного вибору.

Приклади застосування матеріалів:
- Сталь: для тонких листів (<3 mm), argon ensures surface smoothness, with oxidation layer thickness of only 0.5 μm on a 1.5 mm low-carbon steel weld. For thick plates (>10 мм), додавання гелію покращує проникнення.
- Нержавіюча сталь: захист від аргону запобігає втраті Cr. У нержавіючої сталі 304 товщиною 3 мм вміст Cr у зварному шві досягає 18,2% (близько до 18,5% в основному металі). Дуплексна нержавіюча сталь потребує суміші Ar-N₂ (N₂ менше або дорівнює 5%) для балансу фаз. Дослідження показують, що у дуплексній нержавіючій сталі 2205 товщиною 8 мм Ar-2%N₂ підтримує співвідношення фериту/аустеніту 48:52 і міцність на розрив 780 МПа, що краще, ніж чистий Ar (720 МПа).
- Алюмінієві сплави: для тонких листів (<3 mm), high reflectivity reduces absorption. Helium, with its high ionization energy, stabilizes plasma. In 2 mm thick 6061 aluminum alloy, helium shielding achieves 1.8 mm penetration, 25% deeper than with argon, with porosity below 1%. For thick plates (>5 мм), суміші He-Ar (3:1) збалансують проникнення та вартість. Наприклад, зварювання пластини 5083 товщиною 8 мм зі змішаним газом досягло 6,2 мм проникнення, що на 35% глибше, ніж чистий Ar, при цьому знизивши вартість на 20%.

Лазерна та електронно-променева обробка

03 Вплив швидкості потоку захисного газу

Швидкість потоку захисного газу безпосередньо впливає на здатність покриття та динаміку рідини розплавленої ванни. Недостатній потік не дозволяє повністю ізолювати повітря, що призводить до окислення та пористості. Надмірний потік може спричинити турбулентність, розтираючи розплавлену воду та спричиняючи западини або бризки. Відповідно до числа Рейнольдса (Re=ρvD/μ), вищий потік збільшує швидкість, і коли Re > 2300, ламінарний потік переходить у турбулентність, дестабілізуючи басейн розплаву. Таким чином, критична швидкість потоку повинна бути визначена експериментально або за допомогою CFD моделювання.

[Зображення: Рисунок 2. Вплив різних швидкостей потоку захисного газу на зварні шви]

Оптимізація потоку повинна враховувати теплопровідність і товщину пластини:
- Steel and stainless steel: For thin low-carbon steel (1–2 mm), 10–15 L/min is suitable. For thicker plates (>6 мм), для придушення окислення потрібно 18–22 л/хв. Наприклад, з нержавіючої сталі 316L товщиною 6 мм швидкість 20 л/хв покращила однорідність твердості HAZ на 30%.
- Aluminum alloys: High thermal conductivity requires higher flow to prolong protection. In 3 mm thick 7075 aluminum alloy, 25–30 L/min minimized porosity (0.3%). For plates >10 мм, для уникнення турбулентності необхідна складна продувка.

Лазерна та електронно-променева обробка

04 Вплив методів продування захисним газом

Метод видування, контролюючи напрямок і розподіл повітряного потоку, безпосередньо впливає на потік розплавленої ванни та придушення дефектів. Він змінює градієнти поверхневого натягу та потік Марангоні, тим самим регулюючи динаміку басейну розплаву. Бічний-видування створює спрямований потік, зменшуючи пористість і вкраплення, тоді як комбінований вид урівноважує розподіл енергії та покращує однорідність зварювання.

[Зображення: Малюнок 3. Вплив різних методів дуття на зварні шви]

Основні способи видування:
- Коаксіальне видування: повітряний потік коаксіальний із лазерним променем, симетрично охоплюючи ванну розплаву, придатний для високо-швидкісного зварювання. Це забезпечує високу стабільність процесу, але може заважати лазерному фокусуванню. Наприклад, з оцинкованою автомобільною сталлю товщиною 1,2 мм коаксіальне видування збільшило швидкість зварювання до 40 мм/с із бризками<0.1.
- Бічний-видування: повітряний потік надходить збоку, ефективно очищаючи плазму та забруднення, підходить для зварювання глибоким проваром. Для сталі Q345 товщиною 12 мм при бічному видуванні під кутом 30 градусів проникнення зросло на 18%, а пористість знизилася з 4% до 0,8%.
- Складне видування: поєднання коаксіального та бічного-видування одночасно пригнічує окислення та плазмові перешкоди. Для алюмінієвого сплаву 6061 товщиною 3 мм із конструкцією з подвійним-соплом пористість зменшилася з 2,5% до 0,4%, а міцність на розрив досягла 95% основного матеріалу.

05 Висновок

Вплив захисного газу на якість зварювання в основному випливає з його регулювання передачі енергії, термодинаміки розплавленої ванни та хімічних реакцій:
1. Передача енергії: висока теплопровідність гелію прискорює охолодження, зменшуючи ширину ЗТВ; Низька провідність аргону подовжує термін служби розплавленої ванни, сприяючи формуванню тонкого листа.
2. Стабільність ванни розплаву: зсув потоку повітря впливає на потік ванни розплаву. Правильний потік запобігає розбризкуванню, тоді як надмірний потік спричиняє завихрення та дефекти.
3. Хімічний захист: Інертні гази ізолюють кисень, запобігаючи окисленню елементів сплаву (наприклад, Cr, Al). Активні гази (наприклад, N₂) змінюють властивості зварного шва через зміцнення-твердого розчину або утворення сполуки, але потребують точного контролю.

Лазерна та електронно-променева обробка

Джерело: зібрано редакційною командою загальнодоступного облікового запису WeChat "Технологія та застосування високо-обробки променів енергії".